基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置及方法，利用分束片、平面反射镜、合束片、机械可调延迟系统等简单的器件，使经由分束片分出的两束800 nm波长光产生一定的时间相位延迟，共同会聚在空心金属波导光纤中，并依次与400 nm波长光脉冲重合发生非线性作用，电离光纤内气体，产生太赫兹波；利用空心金属波导光纤的全反射特性将聚拢和传播产生的太赫兹光波。避免了空气中水分大量吸收太赫兹波，改善太赫兹波能量损失，克服了空气拉丝法产生太赫兹波时，两束不同波长光发生非线性作用时间太短，太赫兹波转换效率不高问题，有效地将太赫兹波的信号强度提升了3倍，并且本发明操作简便，成本较低。
【专利说明】
基于空心金属波导光纤増强太赫兹波信号的装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种增强太赫兹波装置，特别涉及一种基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置及方法。
【背景技术】
[0002]近几十年来，太赫兹波以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。太赫兹辐射是频率在0.1到10 THz范围的电磁波，这一波段位于微波与红外之间，具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。目前，主要的应用研究有太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术、安全检查、太赫兹雷达、天文学、通信技术。
[0003]目前，以空气拉丝法产生太赫兹波是一种较为常见、简单、可靠的方法。其原理为:波长800 nm的激光脉冲会聚通过BBO倍频晶体时，部分转化为波长为400 nm的激光。根据激光的相关非线性性质，这两束光在脉冲重合时发生强相互作用，电离气体介质福射出太赫兹波。
[0004]由于两种波长光在介质中传播时产生不同的折射率，它们的传播速度也不相同。而两束光的脉冲宽度都极小，所以两者能够脉宽重合、相互作用产生太赫兹波的时间很短。当两者脉冲随着各自的传播而逐渐分离时，两束光也将停止发生相互作用，不再产生太赫兹信号。这种方法的主要优点是所获得的太赫兹波带宽较宽，整套装置搭建方便，占地空间较小，综合成本相对较低。但同时也存在相干长度较短(通常在毫米量级)，从而在很长一段传播距离内的激光能量无法被有效利用的问题。
[0005]此外，空气中含有较多水分，而水对太赫兹波有较强的吸收能力。因此，环境的温度、湿度等条件都会对太赫兹波的产生、探测、与收集等，有十分明显的影响。
[0006]以上这些问题都极大地降低了太赫兹波产生的效率和性价比。
【发明内容】
[0007]本发明是针对空气中水分会大量吸收太赫兹波，以及空气拉丝法产生太赫兹波时，两束不同波长光发生非线性作用时间太短，太赫兹波转换效率不高的两个问题，提出了一种基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置及方法，改善太赫兹波能量损失和提升太赫兹波强度。
[0008]本发明的技术方案为:一种基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置，激光源发出的波长为800 nm的入射激光经过分束片分为两束光，800 nm透射光经过平面反射镜组连续反射后，被第一凸透镜会聚进入BBO晶体，并部分转换成波长为400 nm的激光，从BBO晶体输出的光包括800 nm和400 nm的光;800 nm反射光经过第一平面反射镜、可调延迟系统、第二平面反射镜和第二凸透镜，与BBO晶体输出的800 nm光和400 nm光产生一定的时间相位延迟后，共同通过合束片，会聚进入充有干燥气体的空心金属波导光纤中，透射光和反射光经过凸透镜会聚后的焦点都位于空心金属波导光纤入口端，空心金属波导光纤输出太赫兹后被抛物面镜收集，进入探测系统。
[0009]所述装置的增强太赫兹波信号方法，打开激光源，在空心金属波导光纤中，初始状态下，从BBO晶体输出的800 nm光与400 nm光脉冲重合，作为第一束光，向前传输时发生非线性相互作用，电离气体介质辐射出太赫兹波，随着传播距离的增加，此时第一束光的800nm光与400 nm光脉冲逐步走离;调节可调延迟系统，使800 nm反射光相对脉冲延时，作为第二束光，使得第一束光的800 nm光脉冲与400 nm光脉冲刚好完全分离时，第二束光800 nm反射光的脉冲恰好与400 nm光脉冲开始重合，继续产生太赫兹，太赫兹从空心金属波导光纤输出后被抛物面镜收集，进入探测系统。
[0010]本发明的有益效果在于:本发明基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置及方法，装置搭建简单，可直接、有效地将太赫兹波的信号强度提升了 3倍。本发明的应用范围广，实用性强，操作简便，成本较低，改善太赫兹波能量损失和提升太赫兹波强度。
【附图说明】
[0011]图1为本发明基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置结构示意图；
图2为本发明中利用BBO倍频晶体以空气拉丝法产生太赫兹波原理示意图；
图3为本发明中利用分束片引入第二束SOOnm光增强太赫兹波信号强度的原理示意图。
【具体实施方式】
[0012]如图1所示基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置结构示意图，由激光源1、分束片2、平面反射镜3、平面反射镜4、平面反射镜5、平面反射镜6、凸透镜7、BB0晶体8、合束片9、空心金属波导光纤10、抛物面镜11、太赫兹波探测与应用部分12、凸透镜13、平面反射镜14、平面反射镜15、平面反射镜16、平面反射镜17、机械延时系统可移动电机18组成。
[0013]激光源I发出的波长为800nm的入射激光经过分束片2后分为两束光。其中透射的第一束800 nm光经过由平面反射镜3、4、5、6组成的平面反射镜组连续反射后，被凸透镜7会聚进入BBO晶体7，并部分转换成波长为400 nm的激光(此处需特别注意，凸透镜7对第一束800 nm光起会聚作用，但并不是把光聚焦到BBO晶体上，因为BBO晶体易受高能激光的损坏)，从BBO晶体7输出的光包括800 nm和400 nm的光;第二束800 nm反射光经过平面反射镜14、17、16、15(其中平面反射镜16、17固定在电机18上构成机械延迟系统)和凸透镜13，与BBO晶体7输出的800 nm光和400 nm光产生一定的时间相位延迟后，共同通过合束片9，会聚进入充有干燥气体的空心金属波导光纤10中。而两束光经透镜会聚后的焦点都位于空心金属波导光纤10入口端。在空心金属波导光纤10中，初始状态下，第一束800 nm光与400 nm光脉冲重合，它们向前传输时发生非线性相互作用，电离气体介质辐射出太赫兹波。随着传播距离的增加，第一束800 nm光与400 nm光脉冲逐步走离。当二者完全分开时，第一束800 nm光不再与400 nm光发生相互作用产生太赫兹波。通过机械延时系统可移动电机18调节可调延迟系统中两个平面反射镜16、17与第一平面反射镜15、第二平面反射镜14之间的距离，从而控制第二束800 nm光相对脉冲延时，使得当第一束800 nm光脉冲与通过BBO晶体产生的400 nm光脉冲刚好完全分离时，第二束800 nm光的脉冲恰好与400 nm光脉冲开始重合，从而继续产生太赫兹，最后输出时太赫兹强度可提升为原来的3倍。太赫兹输出后被抛物面镜11收集，进入探测系统12。
[0014]在下面的实施例中，以用1:1分束片分光，波长为800nm入射光通过BBO倍频晶体以拉丝法产生太赫兹汇聚在充有干燥空气的空心金属波导光纤中并应用于太赫兹为例，其他波段的入射光、不同比例的分束片和在光纤内充入其他种类干燥气体的实施方法与本实施方法基本一致。
[0015]具体实现增强太赫兹信号的过程如下:激光源I发出的波长为800nm的入射激光经过1:1分束片2后分为两束光。其中透射的第一束800 nm光经过平面反射镜组连续反射后，被凸透镜7会聚进入BBO晶体7，并部分转换成波长为400 nm的激光(凸透镜7对第一束800 nm光起会聚作用，但并不是把光聚焦到BBO晶体表面，因为BBO晶体易受高能激光的损坏);第二束800 nm光经过平面反射镜14、17、16、15(其中平面反射镜16、17固定在电机18上构成机械延迟系统)和凸透镜13，与第一束800 nm光和400 nm光产生一定的时间相位延迟后，共同通过合束片9，会聚在充有干燥气体的空心金属波导光纤10中。而两束光经透镜会聚后的焦点都位于空心金属波导光纤入口端。在空心金属波导光纤中，初始状态下，第一束800 nm光与400 nm光脉冲重合，如图2所示，它们向前传输时发生非线性相互作用，电离气体介质辐射出太赫兹波。随着传播距离的增加，第一束800 nm光与400 nm光脉冲逐步走离。当二者完全分开时，第一束800 nm光不再与400 nm光发生相互作用产生太赫兹波。通过机械延时系统可移动电机18控制第二束800 nm光相对脉冲延时，使得当第一束800 nm光脉冲与通过BBO晶体产生的400 nm光脉冲刚好完全分离时，第二束800 nm光的脉冲恰好与400nm光脉冲开始重合，从而继续产生太赫兹，最终输出的太赫兹波强度可提升为原来的3倍。太赫兹输出后被抛物面镜11收集，进入探测系统12。
[0016]如图3所示利用分束片引入第二束SOOnm光增强太赫兹波信号强度的原理示意图，波长为800 nm的光脉冲与波长为400 nm的光脉冲在三个相干长度Lc的距离内均有重合，并不断发生强相互作用产生太赫兹波。而如图2利用BBO倍频晶体以空气拉丝法产生太赫兹波原理示意图所示，现有的常规空气拉丝法产生太赫兹波的过程中，800 nm光与400 nm光只在一个相干长度Lc内有重合。因而简单对比，可知本发明的方法将太赫兹波信号强度提升为原来的3倍。
[0017]本发明装置一利用分束片、平面反射镜、合束片、机械延时系统等简单的器件，使经由分束片分出的第二束800 nm波长光与第一束800 nm光产生一定的时间相位延迟，共同会聚在空心金属波导光纤中，并依次与400 nm波长光脉冲重合发生非线性作用，电离光纤内气体，产生太赫兹波;装置二利用空心金属波导光纤的全反射特性将聚拢和传播产生的太赫兹光波。这两点设计可针对不同实际情况分别单独使用，更可以共同使用，从而大幅提升太赫兹波信号强度。
【主权项】
1.一种基于空心金属波导光纤增强太赫兹波信号的装置，其特征在于，激光源发出的波长为800 nm的入射激光经过分束片分为两束光，800 nm透射光经过平面反射镜组连续反射后，被第一凸透镜会聚进入BBO晶体，并部分转换成波长为400 nm的激光，从BBO晶体输出的光包括800 nm和400 nm的光;800 nm反射光经过第一平面反射镜、可调延迟系统、第二平面反射镜和第二凸透镜，与BBO晶体输出的800 nm光和400 nm光产生一定的时间相位延迟后，共同通过合束片，会聚进入充有干燥气体的空心金属波导光纤中，透射光和反射光经过凸透镜会聚后的焦点都位于空心金属波导光纤入口端，空心金属波导光纤输出太赫兹后被抛物面镜收集，进入探测系统。2.根据权利要求1所述装置的增强太赫兹波信号方法，其特征在于，打开激光源，在空心金属波导光纤中，初始状态下，从BBO晶体输出的800 nm光与400 nm光脉冲重合，作为第一束光，向前传输时发生非线性相互作用，电离气体介质辐射出太赫兹波，随着传播距离的增加，此时第一束光的800 nm光与400 nm光脉冲逐步走离；调节可调延迟系统，使800 nm反射光相对脉冲延时，作为第二束光，使得第一束光的800 nm光脉冲与400 nm光脉冲刚好完全分离时，第二束光800 nm反射光的脉冲恰好与400 nm光脉冲开始重合，继续产生太赫兹，太赫兹从空心金属波导光纤输出后被抛物面镜收集，进入探测系统。
【文档编号】G01J5/08GK105928624SQ201610238498
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】彭滟, 徐博伟, 朱亦鸣, 张腾飞, 陈万青, 戚彬彬, 庄松林
【申请人】上海理工大学